JP2007333952A - Video display apparatus and head mount display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する)とに関するものである。 The present invention relates to an image display device that provides an observer with an image displayed on a display element as a virtual image, and a head mounted display (hereinafter also referred to as an HMD) including the image display device.
従来から、左右一対の表示素子に表示された映像を観察者に両眼で観察させるHMDが提案されている。このような両眼式のHMDを観察者が装着した場合、観察者は左右のそれぞれの表示映像を重ねて1つの映像として観察する。このとき、左右のそれぞれの光学系の光軸の位置がずれて、左右一対の光軸のなす角度が基準から外れると、観察者はそれぞれの表示映像を重ねて観察することが困難となる。 Conventionally, there has been proposed an HMD that allows an observer to observe an image displayed on a pair of left and right display elements with both eyes. When an observer wears such a binocular HMD, the observer superimposes the left and right display images and observes them as one image. At this time, if the positions of the optical axes of the left and right optical systems are shifted and the angle formed by the pair of left and right optical axes deviates from the reference, it is difficult for the observer to superimpose the respective display images.
そこで、例えば特許文献1の装置では、左右の少なくとも一方の光学系において、両眼が並ぶ方向(左右方向)に垂直な方向に光軸を調整可能としている。ここで、図29は、特許文献1の装置において、左右の光学系の一方の概略の構成を模式的に示す説明図である。同図に示すように、光源101および液晶パネル102を一体的に垂直方向に移動させることにより、光軸を垂直方向に調整することが可能である。なお、同図中の実線は、移動前の光源101および液晶パネル102の位置ならびに光路を示し、破線は、移動後の光源101および液晶パネル102の位置ならびに光路を示している。
Therefore, for example, in the apparatus of
また、例えば特許文献2の装置では、HMDのブリッジ部分、すなわち、両眼の前に配置される各接眼窓を連結する部分に、観察者の輻輳に合わせて接眼窓の間隔を調整する調整機構が設けられている。この調整機構によって左右の光軸の位置関係を調整することが可能となっているが、調整機構の詳細な構成は明らかではない。
Further, for example, in the apparatus of
ところが、特許文献1の装置では、光源101と光学瞳Eとの位置関係について何ら規定されていないため、レンズ103に対して光源101および液晶パネル102を移動させると、図29に示すように、レンズ103に対する光学瞳Eの位置がずれる。このため、観察映像の輝度が低下したり、収差が大きく発生して観察映像の画質が低下する場合が生ずる。
However, in the apparatus of
つまり、例えば、光源101を点光源で構成する場合や、光路中に拡散板を配置する場合には、光源101の放射特性や拡散板の拡散特性を考慮して、光軸調整前の光学瞳Eの位置にて光強度が高くなるように装置が設計されているのが一般的である。したがって、図29のように、光軸調整によってレンズ103に対する光学瞳Eの位置がずれると、到達する光の強度が光軸調整前の光学瞳Eの位置に比べて低下している位置に光学瞳Eが位置することとなり、結果的に、光軸調整後の光学瞳Eの位置にて観察される映像が暗くなる。
That is, for example, when the
また、レンズ103に対する光学瞳Eの位置がずれると、レンズ103において収差の発生を抑えるように設計されている部分から遠く離れた部分を使う(光が透過する)こととなり、収差が大きく発生する。このため、光軸調整後の光学瞳Eの位置では、観察映像の画質が低下する。
Further, when the position of the optical pupil E with respect to the
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光軸調整による観察映像の輝度および画質の低下を回避することができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイとを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a video display device capable of avoiding a decrease in luminance and image quality of an observation video due to optical axis adjustment, and the video display thereof. It is to provide a head mounted display including the device.
本発明の映像表示装置は、左右一対の光源と、各光源からの光を変調して映像を表示する左右一対の表示素子と、各表示素子に表示された映像の光を左右一対の光学瞳にそれぞれ導く、左右一対の観察光学系と、左右の少なくとも一方について、表示素子に表示される映像と観察光学系との相対的な位置関係を光軸と交差する方向において変更することにより、左右一対の光軸のなす角度を調整する光軸調整手段とを備え、左右のそれぞれにおいて、光源は光学瞳と略共役に配置されており、上記光軸調整手段は、観察光学系に対する光学瞳の位置を変更することなく、上記位置関係を変更することを特徴としている。 An image display apparatus according to the present invention includes a pair of left and right light sources, a pair of left and right display elements that display light by modulating light from each light source, and a pair of left and right optical pupils that display image light displayed on each display element. By changing the relative positional relationship between the image displayed on the display element and the observation optical system in the direction intersecting the optical axis, with respect to at least one of the pair of left and right observation optical systems and left and right, respectively, An optical axis adjusting unit that adjusts an angle formed by the pair of optical axes, and the light source is disposed substantially conjugate with the optical pupil on each of the left and right sides, and the optical axis adjusting unit includes the optical pupil with respect to the observation optical system. It is characterized in that the positional relationship is changed without changing the position.
上記の構成によれば、左右のそれぞれにおいて、光源から出射された光は表示素子にて変調され、映像光として観察光学系を介して光学瞳に導かれる。これにより、観察者は左右の光学瞳の位置に左右の眼をそれぞれ位置させることで、それぞれの眼で表示映像を観察することが可能となる。 According to the above configuration, in each of the left and right sides, the light emitted from the light source is modulated by the display element and guided as image light to the optical pupil via the observation optical system. Thereby, the observer can observe the display image with each eye by positioning the left and right eyes at the positions of the left and right optical pupils.
ここで、光軸調整手段は、左右の少なくとも一方について、表示素子に表示される映像と観察光学系との相対的な位置関係を光軸と交差する方向において変更することにより、左右一対の光軸のなす角度を調整し、光軸調整を行う。なお、上記位置関係の変更は、表示素子の位置を光軸との交差方向に調整することによってなされてもよいし、表示素子の位置を調整せず、表示素子に表示される映像の表示位置を変更することによってなされてもよい。 Here, the optical axis adjusting means changes the relative positional relationship between the image displayed on the display element and the observation optical system in at least one of the left and right in the direction intersecting the optical axis, thereby making a pair of left and right light beams. Adjust the angle between the axes to adjust the optical axis. Note that the change in the positional relationship may be made by adjusting the position of the display element in the direction intersecting the optical axis, or the display position of the video displayed on the display element without adjusting the position of the display element. May be made by changing.
このとき、左右のそれぞれにおいて、光源は光学瞳と略共役に配置されており、光軸調整手段は、観察光学系に対する光学瞳の位置を変更することなく、上記位置関係を変更し、光軸調整を行うことが可能となる。光軸調整手段がこのような光軸調整を行うことにより、例えば設計光学瞳の位置にて光強度が高くなるように装置が元々設計されている場合でも、その光学瞳位置での光強度を光軸調整後も実現することができる。したがって、光軸調整による光学瞳位置での観察映像の輝度低下を回避することができる。 At this time, in each of the left and right, the light source is arranged substantially conjugate with the optical pupil, and the optical axis adjusting means changes the positional relationship without changing the position of the optical pupil with respect to the observation optical system, and the optical axis. Adjustments can be made. By adjusting the optical axis by the optical axis adjusting means, for example, even when the apparatus is originally designed so that the light intensity is high at the position of the designed optical pupil, the light intensity at the optical pupil position is adjusted. It can be realized even after the optical axis is adjusted. Therefore, it is possible to avoid a decrease in luminance of the observation image at the optical pupil position due to the optical axis adjustment.
また、光軸調整手段は、観察光学系に対する光学瞳の位置を変更することなく光軸調整を行うので、例えば観察光学系において収差の発生を抑えるように設計されている部分を利用して(上記部分から離れた部分を極力利用せずに)、表示素子からの映像光を光学瞳に導くことができる。これにより、光軸調整に起因して収差が発生するのを抑えることができ、収差の発生による観察映像の画質低下を回避することができる。 Further, since the optical axis adjustment means adjusts the optical axis without changing the position of the optical pupil with respect to the observation optical system, for example, using a portion designed to suppress the occurrence of aberration in the observation optical system ( The image light from the display element can be guided to the optical pupil without using a portion away from the above portion as much as possible. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of aberration due to the optical axis adjustment, and it is possible to avoid the deterioration of the image quality of the observation image due to the occurrence of the aberration.
また、本発明においては、上記光軸調整手段は、観察光学系に対して表示素子の位置を調整(光軸と交差する方向に変更)することにより、上記位置関係を変更する構成であってもよい。 In the present invention, the optical axis adjusting means is configured to change the positional relationship by adjusting the position of the display element with respect to the observation optical system (changing in a direction crossing the optical axis). Also good.
観察光学系に対して表示素子の位置を調整する場合であっても、観察光学系に対する光学瞳の位置を変更することなく光軸調整を行うことができる。したがって、光軸調整による観察映像の輝度および画質の低下を回避することができる。 Even when the position of the display element is adjusted with respect to the observation optical system, the optical axis can be adjusted without changing the position of the optical pupil with respect to the observation optical system. Therefore, it is possible to avoid a decrease in luminance and image quality of the observation image due to the optical axis adjustment.
また、本発明の映像表示装置は、光源からの光を集光して表示素子に導く、左右一対の照明光学系をさらに備えている構成であってもよい。 The image display device of the present invention may further include a pair of left and right illumination optical systems that collect light from the light source and guide it to the display element.
この場合、光源からの光は、照明光学系で集光されて表示素子に導かれるので、光の利用効率を上げることができ、観察者に明るい映像を提供することができる。また、光源と表示素子との距離を短くすることができ、装置を小型、軽量にすることができる。 In this case, the light from the light source is collected by the illumination optical system and guided to the display element, so that the light use efficiency can be increased and a bright image can be provided to the observer. In addition, the distance between the light source and the display element can be shortened, and the apparatus can be reduced in size and weight.
また、本発明においては、光源は、LEDであることが望ましい。LEDは、安価、小型であり、また、発光波長幅が狭いので色純度が高い。したがって、光源をLEDで構成することにより、安価、小型で、提供する映像の色純度が高い映像表示装置を実現することができる。 In the present invention, the light source is preferably an LED. The LED is inexpensive and small in size, and has a high emission purity because of its narrow emission wavelength width. Therefore, by configuring the light source with an LED, it is possible to realize an image display device that is inexpensive and small in size and has high color purity of the provided image.
また、本発明においては、光源は、光強度がピークとなる波長が複数存在する光を出射する構成であってもよい。この場合、光源は少なくとも2色の光を出射することになるので、光源からの光を表示素子にて変調し、観察光学系を介して観察者の瞳に導くことにより、観察者はカラー映像を観察することができる。 In the present invention, the light source may be configured to emit light having a plurality of wavelengths at which the light intensity reaches a peak. In this case, since the light source emits at least two colors of light, the light from the light source is modulated by the display element and guided to the observer's pupil through the observation optical system, so that the observer can see the color image. Can be observed.
また、本発明においては、左右のそれぞれにおいて、観察光学系は、体積位相型で反射型のホログラム光学素子を含み、上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導く構成であってもよい。 In the present invention, in each of the left and right, the observation optical system includes a volume phase type reflection type hologram optical element, and the hologram optical element diffracts and reflects the image light from the display element to form an optical pupil. The structure which guides may be sufficient.
体積位相型で反射型のホログラム光学素子は、回折効率が高く、しかも、回折効率ピークの半値波長幅が狭い。したがって、このようなホログラム光学素子を用い、表示素子からの映像光をホログラム光学素子にて回折反射させて光学瞳に導く構成とすることにより、明るく、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。特に、本発明では、上述したように、光軸調整において光学瞳の位置が変更されないので、光学瞳に届く映像光の波長が変化せず、色再現性の高い映像を提供することができる。 Volume phase type and reflection type hologram optical elements have high diffraction efficiency and a narrow half-value wavelength width of the diffraction efficiency peak. Therefore, by using such a hologram optical element and adopting a configuration in which image light from the display element is diffracted and reflected by the hologram optical element and guided to the optical pupil, a bright image with high color purity is provided to the observer. be able to. In particular, in the present invention, as described above, since the position of the optical pupil is not changed in the optical axis adjustment, the wavelength of the image light reaching the optical pupil does not change, and an image with high color reproducibility can be provided.
また、本発明の映像表示装置は、光源の位置を調整することによって光学瞳の位置を変更する、左右一対の光源位置調整機構をさらに備えている構成であってもよい。この場合、例えば製造誤差に起因して、所望の波長の光が到達する位置以外の位置に光学瞳が形成されている場合でも、光源位置調整機構によって、所望の波長の光が到達する位置に光学瞳を位置させることができ、観察者に所望の色の映像を観察させることができる。 The video display device of the present invention may further include a pair of left and right light source position adjusting mechanisms that change the position of the optical pupil by adjusting the position of the light source. In this case, for example, even when the optical pupil is formed at a position other than the position where the light having the desired wavelength arrives due to a manufacturing error, the light source position adjusting mechanism moves to the position where the light having the desired wavelength reaches. The optical pupil can be positioned, and the observer can observe an image of a desired color.
また、回折効率ピークの半値波長幅が狭い体積位相型で反射型のホログラム光学素子を用いる構成において、光源を移動可能にしているので、映像光の波長を変えて映像色を所望の色に容易に変更することができる。また、ホログラム光学素子は特定の入射角で入射する特定波長の光を回折させるので、光源の位置を調整することによって、ホログラム光学素子に入射する光の入射角と波長とを最適に調整して明るい映像を提供することができる。さらに、光軸調整手段による光軸調整とは無関係に(左右一対の光軸のなす角度を変更せずに)、光源位置調整機構による光源移動によって光学瞳の位置を変更できるので、光学瞳の位置調整を容易に行うことができる。 In addition, in a configuration using a volume phase type and reflection type hologram optical element in which the half-value wavelength width of the diffraction efficiency peak is narrow, the light source can be moved, so the video color can be easily changed to the desired color by changing the wavelength of the video light. Can be changed. In addition, since the hologram optical element diffracts light of a specific wavelength incident at a specific incident angle, the incident angle and wavelength of light incident on the hologram optical element can be adjusted optimally by adjusting the position of the light source. Bright images can be provided. Further, the position of the optical pupil can be changed by moving the light source by the light source position adjusting mechanism regardless of the optical axis adjustment by the optical axis adjustment means (without changing the angle formed by the pair of left and right optical axes). Position adjustment can be easily performed.
また、本発明においては、上記ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有していることが望ましい。このようなホログラム光学素子を用いることにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めることができ、装置を小型化することが容易となる。 In the present invention, it is desirable that the hologram optical element has an axially asymmetric positive optical power. By using such a hologram optical element, the degree of freedom of arrangement of each optical member constituting the apparatus can be increased, and the apparatus can be easily downsized.
また、本発明においては、光学瞳は、ホログラム光学素子への光軸の入射面に平行な方向よりも上記入射面に垂直な方向に大きいことが望ましい。なお、ホログラム光学素子への光軸の入射面とは、ホログラム光学素子における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面のことである。 In the present invention, it is desirable that the optical pupil is larger in the direction perpendicular to the incident surface than in the direction parallel to the incident surface of the optical axis to the hologram optical element. Note that the incident surface of the optical axis to the hologram optical element is a plane including the optical axis of incident light and the optical axis of reflected light in the hologram optical element.
ホログラム光学素子が軸非対称である場合、ホログラム光学素子への光軸の入射面に平行な方向では、ホログラム光学素子の波長特性(波長選択性)が大きく、入射光の入射角がずれると回折波長がずれやすい。したがって、上記入射面に垂直な方向に光学瞳を大きくする、つまり、波長特性が小さい方向に光学瞳を大きくすることにより、色ムラが少なく、かつ、観察しやすい映像を観察者に提供することができる。また、光学瞳の大きさは、上記入射面に垂直な方向よりも上記入射面に平行な方向で相対的に小さいので、光源からの光を無駄なく集光して明るい映像を観察者に提供することができる。 When the hologram optical element is axially asymmetric, the wavelength characteristic (wavelength selectivity) of the hologram optical element is large in the direction parallel to the incident surface of the optical axis to the hologram optical element, and the diffraction wavelength when the incident angle of incident light is deviated. It is easy to slip. Therefore, by enlarging the optical pupil in the direction perpendicular to the incident surface, that is, by enlarging the optical pupil in the direction where the wavelength characteristic is small, it is possible to provide an observer with an image that has less color unevenness and is easy to observe. Can do. In addition, the size of the optical pupil is relatively smaller in the direction parallel to the incident surface than in the direction perpendicular to the incident surface, so that the light from the light source is collected without waste and a bright image is provided to the observer. can do.
また、本発明においては、光源と光学瞳とは、上記入射面に平行な方向において略共役であることが望ましい。この場合、光源の光利用効率を高くするとともに、色再現性および色純度の高い映像を提供することができる。 In the present invention, it is desirable that the light source and the optical pupil are substantially conjugate in a direction parallel to the incident surface. In this case, it is possible to increase the light use efficiency of the light source and provide an image with high color reproducibility and color purity.
また、本発明においては、光源は、3原色に対応した光を発光する3つの発光部を(少なくとも1組)有しており、各発光部は、上記入射面に対して垂直な方向に並んで配置されていることが望ましい。 In the present invention, the light source has (at least one set) three light emitting portions that emit light corresponding to the three primary colors, and each light emitting portion is arranged in a direction perpendicular to the incident surface. It is desirable to be arranged at.
上述したように、上記入射面に対して垂直な方向は、ホログラム光学素子における波長特性が小さい方向である。したがって、各色光を出射する3つの発光部を、ホログラム光学素子における波長特性が小さい方向に並べて配置することにより、光学瞳を拡大できる方向に色を混ぜることができ、3つの発光部を有する光源を用いた場合でも、色ムラの少ない高画質の映像を観察者に提供することができる。 As described above, the direction perpendicular to the incident surface is a direction in which the wavelength characteristic of the hologram optical element is small. Therefore, by arranging the three light emitting sections that emit light of each color in a direction in which the wavelength characteristics of the hologram optical element are small, it is possible to mix colors in a direction in which the optical pupil can be enlarged, and a light source having three light emitting sections Even in the case of using, it is possible to provide an observer with a high-quality image with little color unevenness.
また、本発明においては、光源は、3原色に対応した光を発光する3つの発光部を偶数組有しており、上記ホログラム光学素子への光軸の入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序が、隣接する各組間で逆であることが望ましい。 In the present invention, the light source has an even number of three light-emitting portions that emit light corresponding to the three primary colors, and each light source in the direction perpendicular to the incident surface of the optical axis to the hologram optical element. It is desirable that the arrangement order of the light emitting units is reversed between adjacent groups.
この場合、各発光部からの出射光の各色の光強度(各組間で足し合わせたもの)の重心が一致する(例えば上記入射面上に位置する)ので、光学瞳の中心またはその近傍で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。なお、この構成は、軸非対称な正の光学パワーを有していないホログラム光学素子を用いる場合でも、適用することができる。 In this case, the center of gravity of the light intensity of each color of the emitted light from each light emitting unit (the sum of each set) is coincident (for example, located on the incident surface), so at the center of the optical pupil or in the vicinity thereof An image with little color unevenness can be provided to an observer. This configuration can be applied even when using a hologram optical element that does not have axially asymmetric positive optical power.
また、本発明においては、光源は、3つの発光部を偶数組有しており、各発光部は、上記入射面に対して面対称に配置されているとともに、上記入射面に対して垂直方向の両側で上記入射面から同じ距離に位置する発光部が同じ色の光を発光するように配置されていることが望ましい。この場合、各発光部からの出射光の各色の光強度(各組間で足し合わせたもの)の重心が上記入射面上で一致するので、光学瞳の中心で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。 In the present invention, the light source has an even number of three light-emitting portions, and each light-emitting portion is arranged in plane symmetry with respect to the incident surface and is perpendicular to the incident surface. It is desirable that the light emitting portions located at the same distance from the incident surface on both sides of the light emitting element emit light of the same color. In this case, the center of gravity of the light intensity of each color of the emitted light from each light emitting unit (added between each pair) matches on the incident surface, so that an image with little color unevenness at the center of the optical pupil can be viewed by the observer. Can be provided.
また、本発明においては、光源は、3つの発光部を2組有しており、各組の各発光部は、上記入射面側から上記入射面に対して垂直方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で配置されていることが望ましい。この場合、波長が長い光について、瞳位置による強度差を小さくすることができ、光学瞳の全体で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。 In the present invention, the light source has two sets of three light emitting portions, and each light emitting portion of each set emits light from the incident surface side toward the outer side in the vertical direction with respect to the incident surface. It is desirable that they are arranged in an order that shortens the wavelength. In this case, with respect to light having a long wavelength, the difference in intensity due to the pupil position can be reduced, and an image with little color unevenness can be provided to the observer over the entire optical pupil.
また、本発明においては、上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナであることが望ましい。この場合、観察者は、ホログラム光学素子を介して、表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。 In the present invention, it is desirable that the hologram optical element is a combiner that guides image light and external light from the display element simultaneously to the observer's pupil. In this case, the observer can simultaneously observe the image provided from the display element and the external image via the hologram optical element.
また、本発明においては、上記ホログラム光学素子の回折効率ピークの半値波長幅は、5nm以上10nm以下であることが望ましい。このようにホログラム光学素子の回折効率ピークの半値波長幅が狭いので、観察者は明るい映像を観察することができ、かつ、外界光の透過率が高くなるので、明るい外界像を観察することができる。 In the present invention, the half-value wavelength width of the diffraction efficiency peak of the hologram optical element is preferably 5 nm or more and 10 nm or less. Thus, since the half-value wavelength width of the diffraction efficiency peak of the hologram optical element is narrow, the observer can observe a bright image and the transmittance of external light is high, so that a bright external image can be observed. it can.
また、本発明においては、観察光学系は、表示素子からの映像光を内部で全反射させて観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第1の透明基板を有していることが望ましい。このような第1の透明基板を用いることにより、表示素子からの映像を観察可能としながらも、外光の透過率が高くなるので、明るい外界像を観察することができる。 In the present invention, the observation optical system first reflects the image light from the display element internally and guides it to the observer's pupil, while transmitting the external light to the observer's pupil. It is desirable to have By using such a first transparent substrate, the image from the display element can be observed, but the transmittance of external light is increased, so that a bright external image can be observed.
また、本発明においては、観察光学系は、第1の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第2の透明基板を有していることが望ましい。この場合、観察者が観察光学系を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。 In the present invention, it is desirable that the observation optical system has a second transparent substrate for canceling refraction of external light on the first transparent substrate. In this case, distortion can be prevented from occurring in the external image observed by the observer through the observation optical system.
また、本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。この構成によれば、映像表示装置が支持手段にて支持されるので、観察者は映像表示装置から提供される映像をハンズフリーで観察することができる。 The head mounted display of the present invention includes the above-described video display device of the present invention and support means for supporting the video display device in front of the observer's eyes. According to this configuration, since the video display device is supported by the support means, the observer can observe the video provided from the video display device in a hands-free manner.
本発明によれば、左右のそれぞれにおいて、光源は光学瞳と略共役に配置され、光軸調整手段は、観察光学系に対する光学瞳の位置を変更することなく、光軸調整を行うことが可能となる。これにより、設計光学瞳の位置での光強度を光軸調整後も実現することができ、光軸調整による光学瞳位置での観察映像の輝度低下を回避することができる。また、観察光学系において収差の発生を抑えるように設計されている部分を利用して、表示素子からの映像光を光学瞳に導くことができるので、光軸調整に起因して収差が発生するのを抑えることができ、収差の発生による観察映像の画質低下を回避することができる。 According to the present invention, in each of the left and right sides, the light source is arranged substantially conjugate with the optical pupil, and the optical axis adjustment means can adjust the optical axis without changing the position of the optical pupil with respect to the observation optical system. It becomes. Thereby, the light intensity at the position of the designed optical pupil can be realized even after the optical axis adjustment, and a decrease in luminance of the observation image at the optical pupil position due to the optical axis adjustment can be avoided. In addition, since the image light from the display element can be guided to the optical pupil using a portion designed to suppress the occurrence of aberration in the observation optical system, aberration occurs due to optical axis adjustment. Therefore, it is possible to avoid the deterioration of the image quality of the observation image due to the occurrence of aberration.
〔実施の形態1〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。まず、本実施形態では、本発明の映像表示装置において、光軸調整の原理を中心に説明する。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, in the present embodiment, the principle of optical axis adjustment in the video display device of the present invention will be mainly described.
図1は、本実施形態の右眼用の映像表示装置1Rおよび左眼用の映像表示装置1Lにおいて、表示素子14の表示領域の中心から出射される光の光路を展開して示す説明図である。また、図2は、映像表示装置1R・1Lの光源11から出射される光の光路を展開して示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an expanded optical path of light emitted from the center of the display area of the
本実施形態の映像表示装置1は、表示映像の光をそれぞれ観察者の右眼および左眼にそれぞれ導く映像表示装置1R・1Lで構成されている。映像表示装置1R・1Lは、光源11と、集光レンズ13と、表示素子14と、光軸調整手段15と、接眼光学系21とをそれぞれ有している。つまり、映像表示装置1は、光源11と、集光レンズ13と、表示素子14と、光軸調整手段15と、接眼光学系21とを左右一対で有している。
The
光源11は、例えばR(赤)、G(緑)、B(青)の各波長の光を出射するLEDで構成されている。集光レンズ13は、光源11からの光を集光して表示素子14に導く照明光学系である。表示素子14は、光源11からの光を変調して映像を表示する光変調素子であり、例えば透過型の液晶表示素子で構成されている。
The
光軸調整手段15は、表示素子14に表示される映像と接眼光学系21との相対的な位置関係を変更することにより、左右一対の光軸のなす角度を調整するものである。以下、左右一対の光軸のなす角度の調整のことを光軸調整と言う。なお、光軸とは、ここでは、表示素子14の表示領域の中心と接眼光学系21の主点とを光学的に結ぶ軸を指す。本実施形態では、光軸調整手段15は、接眼光学系21に対して表示素子14の位置を、光軸と交差する方向(光軸に垂直な方向、略垂直な方向、斜め方向を含む)に調整することによって、上記位置関係を変更し、光軸調整を行う。
The optical axis adjusting means 15 adjusts the angle formed by the pair of left and right optical axes by changing the relative positional relationship between the image displayed on the
より具体的には、光軸調整手段15は、表示素子14を保持する保持部15aを有している。この保持部15aは、光軸と交差する方向(ここでは表示素子14の表示面と略平行方向)にスライド可能となっており、最終的には表示素子14などを収容する筐体に固定される。このように保持部15aをスライドさせて表示素子14の位置を調整することにより、表示素子14に表示される映像と接眼光学系21との相対的な位置関係を、光軸と交差する方向において変更することができる。
More specifically, the optical axis adjusting means 15 has a holding
接眼光学系21は、表示素子14に表示された映像の光を光学瞳Eに導く観察光学系であり、光学的に正のパワーを有している。なお、接眼光学系21は、レンズに替えて、ホログラム光学素子、ハーフミラー、自由曲面プリズムのいずれを有していてもよい。
The eyepiece
光源11と光学瞳Eとは、集光レンズ13と接眼光学系21とによって略共役となるように配置されている。したがって、光路中に拡散板などの光路を変更する部材が無ければ、光源11の像が光学瞳E上に結像されることになる。
The
上記構成の映像表示装置1R・1Lのそれぞれにおいて、光源11から出射された光は集光レンズ13にて集光され、表示素子14に導かれる。表示素子14に入射した光は、表示素子14の各画素を透過する際に、画素で少し拡散され、映像光として出射される。表示素子14からの映像光は、接眼光学系21を介して光学瞳Eに導かれる。光学瞳Eは、光源11の大きさが光学系の像倍率により拡大され、さらに表示素子14での上記拡散によって少し大きくなる結果、ある程度の大きさを有する。
In each of the
なお、光源11と光学瞳Eとの位置関係は略共役であるが、表示素子14を透過する光の各画素での拡散の度合いが大きいほど、光源11と光学瞳Eとは共役とはならず、光源11の像は光学瞳E上では鮮明には結像されなくなる。一方、上記拡散が小さいほど両者は共役に近くなり、光源11からの出射光の強度分布が保存される。
The positional relationship between the
光源11と光学瞳Eとが略共役となる位置関係にある場合、光軸調整手段15によって表示素子14の位置を光軸と交差する方向に調整し、表示素子14に表示される映像と接眼光学系21との相対的な位置関係を変更することにより、接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うことができる。図1および図2では、例えば映像表示装置1Lの表示素子14の位置を光軸と交差する方向にずらす前の光路(実線)とずらした後の光路(破線)とを示しているが、接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置は、表示素子14の位置をずらす前後で変化していないことがわかる。
When the
このように、光軸調整手段15によって接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うことができるので、最初に設計された光学瞳Eの位置にて光強度が高くなるように装置が元々設計されている場合でも、その光学瞳Eの位置での光強度を光軸調整後も実現することができる。したがって、光軸調整による光学瞳Eの位置での観察映像の輝度低下を回避することができる。
As described above, the optical axis adjustment can be performed without changing the position of the optical pupil E with respect to the eyepiece
また、接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うことにより、接眼光学系21において収差の発生を抑えるように設計されている部分から遠く離れた部分を利用せずに、表示素子14からの映像光を光学瞳Eに導くことができる。つまり、接眼光学系21において光学収差が良好となる光路を通った映像光を光学瞳Eに導くことができる。
Further, by adjusting the optical axis without changing the position of the optical pupil E with respect to the eyepiece
なお、図1および図2では、光軸調整の前後で、表示素子14からの映像光が接眼光学系21に入射する位置、およびその光が接眼光学系21から出射される位置が大きく異なるように描いてあるが、これは、表示素子14の移動により、接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行う本発明の原理をわかりやすく説明するためにそのように描いているのであって、実際には、表示素子14の移動による上記両者の位置の変化は、光軸調整の前後で微小量と考えてよい。
1 and 2, the position where the image light from the
このように、接眼光学系21において収差の発生を抑えるように設計されている部分を利用して、表示素子14からの映像光を光学瞳Eに導くことができるので、光軸調整に起因して収差が発生するのを抑えることができ、収差の発生による観察映像の画質低下を回避することができる。
As described above, since the image light from the
また、光源11からの光は、集光レンズ13で集光されて表示素子14に導かれるので、光の利用効率を上げることができ、観察者に明るい映像を提供することができる。また、集光レンズ13を配置することによって、光源11と表示素子14との距離を短くすることができ、装置を小型、軽量にすることができる。
Further, since the light from the
なお、図1および図2では、光軸調整手段15は、左右一対設けられているが、左右の少なくとも一方に設けられていればよい。 In FIG. 1 and FIG. 2, the optical axis adjusting means 15 is provided in a pair on the left and right, but may be provided on at least one of the left and right.
また、本実施形態では、光軸調整を表示素子14の位置の調整によって行っているが、表示素子14に表示させる映像の表示位置を表示面内で変更することによって行ってもよい。このとき、表示素子14が光軸調整前の表示映像よりも広い映像表示領域を有していれば、光軸調整後(表示位置の移動後)も表示すべき映像を全部表示させることができる。
In this embodiment, the optical axis adjustment is performed by adjusting the position of the
ところで、以上では、光源11から出射された光(LEDの1点から発光した光)が表示素子14を通過するときに発散光となるように光源11を配置した例について説明したが、表示素子14を通過するときに収束光となるように光源11を配置してもよい。
By the way, although the example which has arrange | positioned the
図3は、光源11と集光レンズ13の主点との距離を図1の場合よりも広げた映像表示装置1R・1Lにおいて、表示素子14の表示領域の中心から出射される光の光路を展開して示す説明図である。また、図4は、図3の構成の映像表示装置1R・1Lの光源11から出射される光の光路を展開して示す説明図である。なお、これらの図では、実線が光軸調整前の光路を示し、破線が光軸調整後の光路を示している。
3 shows the optical path of light emitted from the center of the display area of the
この構成では、光源11は集光レンズ13の焦点位置よりも遠い位置に配置されることになるが、この場合であっても、光軸調整手段15によって接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うことができる。したがって、図1および図2の構成の場合と同様に、光軸調整による映像輝度の低下や画質低下を回避することができる。
In this configuration, the
なお、光源11と集光レンズ13の主点との距離を図1および図2の場合と同じとし、パワーの強い集光レンズ13を用いることによって、表示素子14からの映像光を収束光とする構成としてもよい。
The distance between the
また、光源11から出射された光が表示素子14を通過するときに平行光となるように各構成部材を配置してもよい。図5は、光源11を集光レンズ13の焦点位置に配置した映像表示装置1R・1Lにおいて、表示素子14の表示領域の中心から出射される光の光路を展開して示す説明図である。また、図6は、図5の構成の映像表示装置1R・1Lの光源11から出射される光の光路を展開して示す説明図である。なお、これらの図では、実線が光軸調整前の光路を示し、破線が光軸調整後の光路を示している。
Further, the constituent members may be arranged so that the light emitted from the
表示素子14を平行光で照明する場合、光源11と集光レンズ13とを表示素子14と一体的に形成し、これらを接眼光学系21に対して光軸と交差する方向に移動させることにより、接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うことができる。したがって、この場合であっても、光軸調整による映像輝度の低下や画質低下を回避することができる。
When the
なお、表示素子14のみを光軸と交差する方向に移動させることにより、接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うこともできる。上記のように、光源11と集光レンズ13とを表示素子14と一体的に形成してこれらを一体的に移動させる構成では、光学設計の自由度が制限されるので、その点では、表示素子14のみを移動させて光軸調整を行う構成のほうが望ましい。
The optical axis can be adjusted without changing the position of the optical pupil E with respect to the eyepiece
また、図7は、集光レンズ13を設けずに光源11が表示素子14を直接照明する構成とした映像表示装置1R・1Lにおいて、表示素子14の表示領域の中心から出射される光の光路を展開して示す説明図である。また、図8は、図7の構成の映像表示装置1R・1Lの光源11から出射される光の光路を展開して示す説明図である。なお、これらの図では、実線が光軸調整前の光路を示し、破線が光軸調整後の光路を示している。
7 shows an optical path of light emitted from the center of the display area of the
この構成では、図1ないし図6のように光路中に集光レンズ13を設けないので、低コストで装置を構成することができる。また、光源11からの光が集光レンズ13で集光されないので、図1ないし図6の構成のものに比べて、観察される映像が少し暗く、光源11と光学瞳Eとを略共役に配置するために光源11と表示素子14との間隔が長くなり、装置が少し大きくなる。しかし、表示素子14を接眼光学系21に対して光軸と交差する方向に移動させることにより、接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うことができる点に変わりはない。したがって、図7および図8の構成であっても、光軸調整による映像輝度の低下や画質低下を回避することができる。
In this configuration, the condensing
〔実施の形態2〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1と同一の構成には同一の部材番号を付記する。そして、各構成について実施の形態1では言及しなかった点については適宜説明を加える。本実施形態の映像表示装置1は、基本的な構成は実施の形態1と同じであり、これをさらに具体化したものである。
[Embodiment 2]
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to the drawings. For the convenience of explanation, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same member numbers. The points that are not mentioned in the first embodiment will be appropriately described. The
(1.映像表示装置の構成について)
図9は、映像表示装置1(1R・1L)の概略の構成を示す断面図であり、図10は、映像表示装置1における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。映像表示装置1は、光源11と、一方向拡散板12と、集光レンズ13と、表示素子14と、光軸調整手段15と、接眼光学系21とを有している。図9に示すように、光源11、一方向拡散板12、集光レンズ13および表示素子14は、筐体10内に収容されており、接眼光学系21の一部(後述する接眼プリズム22の一部)は、筐体10内に位置している。
(1. Configuration of video display device)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the video display device 1 (1R · 1L), and FIG. 10 is an explanatory diagram showing an optical path in the
ここで、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、表示素子14の表示領域の中心と、接眼光学系21によって形成される設計時の光学瞳Eの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする(実施の形態2では軸非対称な光学系を用いており主点を明確にできていないので光軸の定義を変える)。そして、光源11から光学瞳Eまでの光路を展開したときの光軸方向をZ方向とする。また、接眼光学系21の後述するホログラム光学素子24への光軸の入射面に垂直な方向をX方向とし、ZX平面に垂直な方向をY方向とする。なお、ホログラム光学素子24への光軸の入射面とは、ホログラム光学素子24に入射する光の光軸とホログラム光学素子24にて反射される光の光軸とを含む平面、すなわち、YZ平面を指す。以下、上記入射面を単に入射面または光軸入射面と称する。
Here, for convenience of explanation below, directions are defined as follows. First, the optical axis is an axis that optically connects the center of the display area of the
光源11は、本実施形態では、赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色に対応する波長の光を出射する3つの発光チップを発光部11R・11G・11B(図10参照)として有するRGB一体型のLED(例えば日亜化学製)で構成されている。各発光部11R・11G・11Bは、一方向拡散板12による拡散の大きい方向であるX方向に並んでいる(図10参照)。これにより、光学瞳E上での各色の強度ムラが小さくなり、色ムラを低減することができる。
In the present embodiment, the
LEDは、安価、小型であり、また、後述するように発光波長幅が狭いので色純度が高い。したがって、光源11をLEDで構成することにより、安価で小型の映像表示装置を実現できるとともに、観察者に提供する映像の色純度を高くすることができる。
The LED is inexpensive and small in size, and has a high color purity because the emission wavelength width is narrow as will be described later. Therefore, by configuring the
一方向拡散板12は、光源11からの出射光を拡散させるものであるが、その拡散度は、方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板12は、X方向には入射光を約40゜拡散させ、Y方向には入射光を約0.5゜拡散させる。また、一方向拡散板12は光源11側の面を光学的に平坦な面とし、集光レンズ13側の面を凹凸により拡散する凹凸面としている。それゆえ、光源11からの発散光が一方向拡散板12の平坦な面で屈折されてやや集光された状態で拡散されるので、集光状態が少し保存される。したがって、一方向拡散板12は凸レンズの機能を若干有しており、一方向拡散板12への入射光は光学瞳Eの形成に必要な方向に若干屈折する。
The
集光レンズ13は、光源11からの光を集光して表示素子14に導く照明光学系である。この集光レンズ13は、一方向拡散板12にて拡散された光をY方向に集光するシリンダレンズで構成されており、その拡散光が効率よく光学瞳Eを形成するように配置されている。本実施形態では、光学瞳Eは、X方向の大きさが6mmであり、Y方向の大きさが2mmとなっている。このように、光学瞳Eは、一方向(X方向)には人間の瞳(3mm程度)よりも大きい6mmの大きさなので、観察者は映像を観察しやすい。一方、光学瞳Eは、他の方向(Y方向)には人間の瞳よりも小さい2mmの大きさなので、光源11からの光は上記方向においては光学瞳Eに無駄なく集光する。これにより、観察者は、明るい映像を観察することができる。
The
表示素子14は、光源11からの出射光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子で構成されている。表示素子14の各画素には、光源11から出射される光の透過を、上記光の波長に応じて制限するカラーフィルタ(透過波長制限フィルタ)が設けられている。カラーフィルタは、3原色に対応する3種類のフィルタからなり、それぞれのフィルタにおいて光源11からの出射光のうちでRGBの3原色に対応した波長のいずれかの光を透過させる一方、残りの光の透過を制限する。
The
このように表示素子14がカラーフィルタを有しており、光源11からの光を画像データに応じて変調してカラーフィルタを介して出射させることにより、表示素子14は、カラー映像を表示することが可能となる。表示素子14は、矩形の表示領域の長辺方向がX方向となり、短辺方向がY方向となるように配置されている。
Thus, the
接眼光学系21は、表示素子14にて表示された映像の光を観察者の瞳(または光学瞳E)に導く観察光学系であり、接眼プリズム22(第1の透明基板)と、偏向プリズム23(第2の透明基板)と、ホログラム光学素子24とを有して構成されている。
The eyepiece
接眼プリズム22は、表示素子14からの映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子24を介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導くものであり、偏向プリズム23とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム22は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム22は、その下端部に配置されるホログラム光学素子24を挟むように、偏向プリズム23と接着剤で接合されている。
The
偏向プリズム23は、平面視で略U字型の平行平板で構成されており、接眼プリズム22の下端部および両側面部(左右の各端面)と貼り合わされたときに、接眼プリズム22と一体となって略平行平板となるものである。この偏向プリズム23を接眼プリズム22に接合することにより、観察者が接眼光学系21を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
The
つまり、例えば、接眼プリズム22に偏向プリズム23を接合させない場合、外光は接眼プリズム22の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム22を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム22に偏向プリズム23を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光が接眼プリズム22の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム23でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
That is, for example, when the
なお、接眼プリズム22および偏向プリズム23の各面(光入射面、光出射面)は、平面であってもよいし、球面であってもよい。接眼プリズム22および偏向プリズム23の各面を曲面とすれば、接眼光学系21に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることもできる。
Each surface (light incident surface, light exit surface) of the
ホログラム光学素子24は、表示素子14から出射される映像光(3原色に対応した波長の光)を回折し、表示素子14にて表示される映像を拡大して観察者の瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムであり、軸非対称な正の光学パワーを有している。つまり、ホログラム光学素子24は、正のパワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。また、ホログラム光学素子24は、表示素子14からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして機能しており、観察者は、ホログラム光学素子24を介して、表示素子14から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。なお、本実施形態におけるホログラム光学素子24の作製方法については後述する。
The hologram
(2.映像表示装置の動作について)
次に、上記構成の映像表示装置1の動作について説明する。光源11から出射された光は、一方向拡散板12にて拡散され、集光レンズ13にて集光されて表示素子14に入射する。表示素子14に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、カラーフィルタを介して映像光として出射される。つまり、表示素子14には、カラー映像が表示される。
(2. Operation of video display device)
Next, the operation of the
表示素子14からの映像光は、接眼光学系21の接眼プリズム22の内部にその上端面から入射し、対向する2つの面で複数回全反射されて、ホログラム光学素子24に入射する。ホログラム光学素子24に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Eに達する。光学瞳Eの位置では、観察者は、表示素子14に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
The image light from the
一方、接眼プリズム22および偏向プリズム23は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、表示素子14に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
On the other hand, the
以上のように、映像表示装置1では、表示素子14から出射される映像光を、接眼プリズム22内での全反射によってホログラム光学素子24に導く構成としているので、通常の眼鏡レンズと同様に、接眼プリズム22および偏向プリズム23の厚さを3mm程度にすることができ、映像表示装置1を小型化、軽量化することができる。また、表示素子14からの映像光を内部で全反射させる接眼プリズム22を用いることにより、高い外光の透過率を確保して、明るい外界像を観察者に提供することができる。
As described above, in the
(3.光軸調整について)
本実施形態においても、実施の形態1と同様に、光軸調整手段15は、接眼光学系21に対して表示素子14の位置を光軸と交差する方向に調整することにより、表示素子14に表示される映像と接眼光学系21との相対的な位置関係を変更する。このため、光軸調整手段15は、表示素子14を保持する保持部15aを有している。この保持部15aは、表示素子14を保持したまま、光軸と交差する方向(ここでは表示素子14の表示面(XY平面)と略平行方向)にスライド可能となっている。
(3. Optical axis adjustment)
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the optical
また、本実施形態においても、実施の形態1と同様に、光源11は、集光レンズ13と接眼光学系21とにより、光学瞳Eと略共役となるように配置されている。したがって、保持部15aを上記方向に例えばΔyだけスライドさせて表示素子14の位置を調整し、保持部15aを筐体10に固定することにより、接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うことができる。その結果、実施の形態1と同様に、光軸調整による映像輝度の低下や画質低下を回避することができる。
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the
特に、本実施形態では、一方向拡散板12が用いられており、光源11の放射特性および一方向拡散板12の拡散特性の両者を考慮して、光軸調整前の光学瞳Eの位置にて光強度が高くなるように光学設計されている。ここで、図11は、光源11を構成するRGBのLEDの放射特性(放射角と光度との関係)を示すグラフであり、図12は、一方向拡散板12の拡散特性(射出角と光強度との関係)を示すグラフである。また、図13は、光軸調整前の光学瞳Eの位置でのある波長(例えばR光)の光強度の分布(輝度分布)を示す説明図である。
In particular, in the present embodiment, the
このように、光源11の放射特性や一方向拡散板12の拡散特性を考慮して、光軸調整前の光学瞳Eの位置にて光強度が高くなるように映像表示装置1が設計されている場合でも、光軸調整手段15は、接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うことができるので、光強度が高くなるように設定された光学瞳Eの位置でのその光強度を光軸調整後も実現することができる。したがって、光軸調整による、光学瞳Eの位置での観察映像の輝度低下を回避することができる。
In this way, the
(4.ホログラム光学素子の作製方法について)
次に、本実施形態のホログラム光学素子24の作製方法について、簡単に説明すれば以下の通りである。図14は、ホログラム光学素子24の作製に用いられる光学系の概略の構成を示す断面図である。
(4. Method for manufacturing hologram optical element)
Next, a method for manufacturing the hologram
まず、接眼プリズム22における偏向プリズム23との貼り合わせ面にホログラム感光材料24aを塗布する。なお、ここでは、ホログラム感光材料24aは、作製時に用いる2光束の照射範囲よりも広い範囲にわたって接眼プリズム22上に塗布されているものとする。そして、ホログラム感光材料24aが塗布された接眼プリズム22を、図14に示す光学系の所定の位置に配置する。
First, the hologram
上記光学系においては、図示しない光源からのレーザー光は、2つの光束に分岐され、それぞれ、RGBの3色を発光する点光源31・41に変換されている。点光源31からの出射光(作製2光束のうちの一方)は、絞り32を介してホログラム感光材料24aにその裏面側(接眼プリズム22側)から照射される。なお、ホログラム感光材料24aに対する上記出射光の照射範囲は、作製されたホログラム光学素子24の再生時に照射される光のうちで光学的に性能の良好な中心光束のみを回折させる範囲である。
In the optical system, laser light from a light source (not shown) is split into two light beams and converted into point
一方、点光源41からの出射光は、製造光学系42、絞り43および反射ミラー44を順に介してホログラム感光材料24aにその表面側(接眼プリズム22とは反対側)から照射される。上記出射光が製造光学系42を介してホログラム感光材料24aに照射されることで、形成するホログラム光学素子24に軸非対称な正のパワーを持たせることができる。なお、ホログラム感光材料24aに対する上記出射光の照射範囲は、作製されたホログラム光学素子24の再生時に照射される光のうちで光学的に性能の良好な中心光束のみを回折させる範囲である。
On the other hand, light emitted from the point
これら2光束の照射により、ホログラム感光材料24aにおける2光束の照射範囲の重畳部分に干渉縞が記録され、ホログラム光学素子24が作製される。その後、ベイク処理および定着処理を行い、ホログラム光学素子24が形成された接眼プリズム22と、偏向プリズム23(図9参照)とを貼り合わせることで、接眼光学系21が完成する。
By irradiation with these two light beams, interference fringes are recorded in the overlapping portion of the irradiation range of the two light beams on the hologram
上記の光学系においては、絞り32・43によって点光源31・41の開口数(出射光の光束径)が制限されるので、ホログラム感光材料24a上で作製2光束を同じ大きさにすることができ、ホログラム光学素子24の再生時に照射される光のうちで光学的に性能の良好な中心光束が照射される範囲にだけホログラム光学素子24を作製することができる。また、作製2光束が互いに同じ範囲で干渉するので、一方のレーザー光だけでの干渉が発生しにくく、不要な干渉縞がホログラム感光材料24aに記録されない。したがって、フレアやゴーストの発生しにくい光学的に性能が良好なホログラム光学素子24を作製することができ、高画質な映像を観察者に提供することができる。
In the optical system described above, the
さらに、作製時に用いられる2光束は、対応する点光源31・41から出射される光の発散角を絞り32・43で制限することによって形成されているので、接眼プリズム22上でのホログラム光学素子24の大きさを低コストで容易にかつ確実に制御することができる。
Further, since the two light beams used at the time of manufacture are formed by restricting the divergence angle of the light emitted from the corresponding point
また、点光源31は、光学瞳Eの近傍に配置される。このようにホログラム光学素子24の作製時の点光源31の位置と光学瞳Eの位置とを略一致させることにより、映像表示色を画面の位置によらず同じにすることができる。また、再生時にホログラム光学素子24にて回折されて光学瞳Eに到達する光の波長は、その光学瞳Eの位置によって異なる。しかし、本実施形態では、光軸調整手段15が接眼光学系21に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うので、光軸調整によって光学瞳Eに到達する光の波長が変化することはなく、色再現性を良好に保つことができる。
The point
なお、逆に、光学瞳Eの位置を調整すれば、光学瞳Eに到達する光の波長を調整することができることになるが、この点については後述する。 Conversely, if the position of the optical pupil E is adjusted, the wavelength of light reaching the optical pupil E can be adjusted. This will be described later.
(5.色再現領域を広げることができる効果について)
本実施形態では、光源11およびホログラム光学素子24の特性を適切に設定することにより、映像表示装置1の表示映像(虚像)の色再現領域を広げることができる。以下、この点について説明する。
(5. Effects that can expand the color reproduction range)
In the present embodiment, the color reproduction region of the display image (virtual image) of the
図15は、光源11の分光強度特性、すなわち、出射光の波長と光強度との関係を示す説明図である。光源11は、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で462±12nm、525±17nm、635±11nmとなる3つの波長帯域の光を発するRGB一体型のLED(例えば日亜化学製)である。ここで、光強度のピーク波長とは、光強度がピークとなるときの波長のことであり、光強度半値の波長幅とは、光強度が光強度ピークの半値となるときの波長幅のことである。なお、図15の光強度は、B光の最大光強度を100としたときの相対値で示している。
FIG. 15 is an explanatory diagram showing the spectral intensity characteristics of the
つまり、本実施形態では、光源11におけるBGRの光強度のピーク波長をそれぞれλ1B、λ1G、λ1Rとすると、λ1B=462nmであり、λ1G=525nmであり、λ1R=635nmである。また、光源11におけるBGRの光強度半値の波長幅をそれぞれΔλ1B、Δλ1G、Δλ1Rとすると、Δλ1B=24nmであり、Δλ1G=34nmであり、Δλ1R=22nmである。
That is, in this embodiment, when the peak wavelengths of the BGR light intensity in the
光源11のRGBの光強度は、ホログラム光学素子24の回折効率や、表示素子14の光透過率を考慮して調整され、これによって白色表示を行うことが可能となる。
The RGB light intensity of the
このように、光源11は、光強度がピークとなる波長が複数存在する光を出射するので、光源11からの光を表示素子14にて変調し、接眼光学系21を介して観察者の瞳に導くことにより、観察者はカラー映像を観察することができる。
In this way, the
一方、図16は、ホログラム光学素子24における回折効率の波長依存性を示す説明図である。同図に示すように、ホログラム光学素子24は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で465±5nm(B光)、521±5nm(G光)、634±5nm(R光)の3つの波長域の光を回折(反射)させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。なお、図16の回折効率は、B光の最大回折効率を100としたときの相対値で示している。
On the other hand, FIG. 16 is an explanatory diagram showing the wavelength dependence of the diffraction efficiency in the hologram
すなわち、本実施形態のホログラム光学素子24では、B光の回折効率のピーク波長λ2Bは465nmであり、G光の回折効率のピーク波長λ2Gは521nmであり、R光の回折効率のピーク波長λ2Rは634nmである。また、ホログラム光学素子24では、B光の回折効率半値の波長幅Δλ2Bは10nmであり、G光の回折効率半値の波長幅Δλ2Gは10nmであり、R光の回折効率半値の波長幅Δλ2Rは10nmである。
That is, in the hologram
ホログラム光学素子24は、特定入射角の特定波長の光のみを回折するように作製されているので、外光の透過にはほとんど影響しない。したがって、観察者は、接眼プリズム22、ホログラム光学素子24および偏向プリズム23を介して外界像を通常通り見ることができる。また、ホログラム光学素子24の回折効率ピークの半値波長幅Δλ2が10nmと狭いので、観察者は明るい映像を観察することができ、かつ、外界光の透過率が高くなるので、明るい外界像を観察することができる。このような効果は、RGBの各色について、Δλ2が5nm以上10nm以下であれば得ることができる。
Since the hologram
本実施形態では、光源11におけるBGRの光強度半値の波長幅Δλ1(Δλ1B、Δλ1G、Δλ1R)は、20nm以上と広いので、ホログラム光学素子24におけるBGRの各色についての回折効率半値の波長幅Δλ2(Δλ2B、Δλ2G、Δλ2R)を20nm未満とする(Δλ1>Δλ2とする)ことにより、BGRの各色純度を高めることができ、観察映像の色再現領域を広げることができる。
In this embodiment, the wavelength width Δλ1 (Δλ1 B , Δλ1 G , Δλ1 R ) of the light intensity half value of BGR in the
ここで、図17は、XYZ表色系におけるXY色度座標を用いて表される虚像の色再現領域を示している。同図中、実線A1は、本実施形態の映像表示装置1、すなわち、カラーフィルタを有する表示素子14と、ホログラム光学素子24と、RGB一体型の3-in-1LEDで構成される光源11とを有する映像表示装置における色再現領域を示している。また、一点鎖線A2は、カラーフィルタを有する表示素子14と、ホログラム光学素子24と、白色光源(白色LED)とを有する映像表示装置における色再現領域を示している。なお、上記映像表示装置は、後述する実施の形態4の映像表示装置でもある。
Here, FIG. 17 shows a color reproduction region of a virtual image represented using XY chromaticity coordinates in the XYZ color system. In the figure, a solid line A1 indicates the
一方、破線A3は、カラーフィルタを有する表示素子14と、ホログラム光学素子24を用いない接眼光学系と、RGB一体型の3-in-1LEDで構成される光源11とを有する映像表示装置における色再現領域を示している。また、二点鎖線A4は、カラーフィルタを有する表示素子14と、ホログラム光学素子24を用いない接眼光学系と、白色光源(白色LED)とを有する映像表示装置における色再現領域を示している。なお、ホログラム光学素子24を用いない接眼光学系としては、例えば自由曲面プリズムがある。
On the other hand, a broken line A3 indicates a color in an image display device having a
同図より、色再現領域は、破線A3や二点鎖線A4に比べて、実線A1および一点鎖線A2のほうが広い。このことから、回折効率半値の波長幅Δλ2が10mm程度のホログラム光学素子24を用いることにより、色純度を高くして、色再現領域を広げることができると言える。特に、実線A1で示すように、光源11としてRGB一体型のものを用いることで、光源11を白色光源で構成する場合よりも色再現領域を広げることができる。
From the figure, the color reproduction region is wider in the solid line A1 and the alternate long and short dash line A2 than in the broken line A3 and the two-dot chain line A4. From this, it can be said that by using the hologram
(6.色ムラの低減効果について)
ところで、本実施形態では、光学瞳Eは、上述したように、強度半値でX方向に6mm、Y方向に2mmの大きさとなるように設定されている。つまり、光学瞳Eは、Y方向、すなわち、ホログラム光学素子24への光軸の入射面(YZ平面)に平行な方向よりも、X方向、すなわち、上記入射面に垂直な方向に大きい。このように光学瞳Eの大きさを設定することにより、ホログラム光学素子24の波長特性(波長選択性)の影響をあまり受けずに、観察者は色ムラの少ない高画質の映像を観察することができる。その理由は以下の通りである。
(6. Effect of reducing color unevenness)
By the way, in this embodiment, as described above, the optical pupil E is set to have a half intensity value of 6 mm in the X direction and 2 mm in the Y direction. That is, the optical pupil E is larger in the X direction, that is, the direction perpendicular to the incident surface than in the Y direction, that is, the direction parallel to the incident surface (YZ plane) of the optical axis to the hologram
まず、ホログラム光学素子24における入射角と波長選択性との関係について説明する。0度より大きい入射角を持つ光を回折させる干渉縞を持つホログラム光学素子24では、入射面に平行な方向よりも入射面に垂直な方向において、波長選択性が小さい(入射角のずれによる回折波長のずれが小さい)。言い換えると、入射面に平行な方向よりも入射面に垂直な方向のほうが、干渉縞への入射角のずれに対する角度選択性が低い。これは、ホログラム光学素子24の干渉縞に光が入射角を有して入射する場合、入射面(YZ平面)内での入射角の角度ずれは、そのまま入射角の角度ずれとなるため、回折波長に対する影響が大きいが、入射面に垂直な方向の角度ずれは、入射角のずれとしては小さく、回折波長に対する影響は小さいからである。
First, the relationship between the incident angle and the wavelength selectivity in the hologram
したがって、ホログラム光学素子24の干渉縞に所定の入射角からずれた角度の光が入射すると、同じ角度ずれでも、入射面に平行な方向での角度ずれのほうが、入射面に垂直な方向の角度ずれよりも、大きく回折波長がずれる(すなわち、入射面に平行な方向は、波長選択性が大きい)。
Therefore, when light having an angle shifted from the predetermined incident angle is incident on the interference fringes of the hologram
ここで、図18は、本実施形態において、光学瞳Eにおける瞳位置と主たる回折波長(例えばR光)との関係を示す説明図である。同図中、破線B1は、光学瞳EのX方向における回折波長の変化を示しており、実線B2は、光学瞳EのY方向の瞳における回折波長の変化を示している。このように、回折波長の変化は、入射面に平行なY方向のほうが、入射面に垂直なX方向よりも大きい。 Here, FIG. 18 is an explanatory diagram showing the relationship between the pupil position in the optical pupil E and the main diffraction wavelength (for example, R light) in the present embodiment. In the figure, a broken line B1 indicates a change in the diffraction wavelength of the optical pupil E in the X direction, and a solid line B2 indicates a change in the diffraction wavelength of the optical pupil E in the Y direction pupil. As described above, the change in the diffraction wavelength is larger in the Y direction parallel to the incident surface than in the X direction perpendicular to the incident surface.
したがって、回折波長の変化が大きいY方向に光学瞳Eを小さく形成することにより、回折波長の変化の範囲が狭くなるので、光学瞳E上での色ムラを低減することができる。また、入射面に垂直な方向に光学瞳Eを大きく形成しても、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。 Therefore, by forming the optical pupil E small in the Y direction where the change in the diffraction wavelength is large, the range of change in the diffraction wavelength is narrowed, so that color unevenness on the optical pupil E can be reduced. Moreover, even if the optical pupil E is formed large in the direction perpendicular to the incident surface, an image with high color purity can be provided to the observer.
なお、光軸入射面外の光は入射面が光軸入射面と若干平行ではないが、前述の通り、入射面に垂直な方向の角度ずれは回折波長に対する影響が小さいので、光軸入射面を基準にしても色ムラが大きくなることはない。 In addition, although the incident surface of the light outside the optical axis incident surface is not slightly parallel to the optical axis incident surface, as described above, since the angle shift in the direction perpendicular to the incident surface has little influence on the diffraction wavelength, the optical axis incident surface The color unevenness does not increase even if the standard is used.
また、光源11は、光軸入射面に垂直なX方向では、一方向拡散板12により拡散されるので、光学瞳Eとは共役ではないが、光軸入射面に平行なY方向においては、光学瞳Eと略共役である。これにより、光源11の光利用効率を高くするとともに、色再現性の高い映像を提供することができる。
Further, since the
また、上述したように、光源11の3つの発光部11R・11G・11Bは、一方向拡散板12による拡散の大きい方向であるX方向に並んでいるが、このことは取りも直さず、3つの発光部11R・11G・11Bが光軸の入射面に対して垂直な方向に並んで配置されていることを意味する。入射面に対して垂直な方向は、ホログラム光学素子24における波長選択性が小さい方向であるので、3つの発光部11R・11G・11BをX方向に配置することで、光学瞳Eを拡大できる方向に色を混ぜることができ、RGBの3色を発光する光源11を用いた場合でも、色ムラの少ない高画質の映像を観察者に提供することができる。
Further, as described above, the three light emitting
また、入射面に平行な方向では、ホログラム光学素子24の波長選択性が高いので、入射面に平行な方向では、光学瞳Eの位置ズレで色再現領域の変化が大きい。しかし、本実施形態では、光軸調整を行っても光学瞳Eの位置が変更されないので、光軸調整による色再現領域の変化はない。つまり、光軸調整による色再現領域の変化がないという効果は、入射面に垂直な方向よりも入射面に平行な方向(波長選択性の高い方向)で大きい。
Further, since the wavelength selectivity of the hologram
(7.光源位置の調整による瞳位置の調整について)
次に、光源11の位置の調整による光学瞳Eの位置の調整について説明する。
図19は、本実施形態の映像表示装置1の他の構成例を示すとともに、各映像表示装置1R・1Lにおいて、表示素子14の表示領域の中心から出射される光の光路を展開して示す説明図である。また、図20は、上記構成の映像表示装置1R・1Lの光源11から出射される光の光路を展開して示す説明図である。
(7. Adjustment of pupil position by adjusting light source position)
Next, adjustment of the position of the optical pupil E by adjusting the position of the
FIG. 19 shows another configuration example of the
映像表示装置1R・1Lは、光源位置調整機構16をさらに有している。この光源位置調整機構16は、光源11の位置を(光軸と交差する方向に)調整することによって光学瞳Eの位置を変更するものであり、光源11を保持する保持部16aを有している。この保持部16aは、光源11を保持したまま、光軸と交差する方向にスライド可能となっている。したがって、保持部16aを上記方向にスライドさせて、光源11の位置を調整し、所定の位置で筐体10(図9参照)に固定することにより、図19および図20に示すように、左右一対の光軸のなす角度を変更せずに、光学瞳Eの位置を光軸と交差する方向に調整することが可能となる。
The
このように、光源位置調整機構16によって、光軸調整手段15による光軸調整とは無関係に(左右一対の光軸のなす角度を変更せずに)光学瞳Eの位置を変更することができるので、例えば光源11やホログラム光学素子24の製造誤差、装置のメカ誤差(設計誤差)に起因して、所望の波長の光が到達する位置以外の位置に光学瞳Eが形成されている場合でも、左右一対の光軸の位置関係を崩さずに(一対の光軸のなす角度を一定に保ったまま)、所望の波長の光が到達する位置に光学瞳Eを位置させることができる。したがって、製造誤差等に起因して光学瞳Eの位置がずれている場合でも、光源11の位置調整による瞳位置の移動により、所望の色の映像を観察者に確実に観察させることができる。
In this way, the position of the optical pupil E can be changed by the light source
特に、光源11の位置調整と光軸調整とが互いに影響しあうことがないので、瞳位置の調整が容易であり、また、光学部材の精度や装置の設計精度もあまり高く要求しなくて済むので、低コストで映像表示装置1を実現することができる。
In particular, since the position adjustment of the
また、上述のように、光軸入射面に平行な方向では、ホログラム光学素子24の波長選択性が高いので、上記方向における光学瞳Eの位置の変更により、光学瞳Eに導かれる映像光の波長を容易に変更することができ、色再現性の高い映像を観察者に提供することができる。なお、光軸入射面に垂直な方向においても、ホログラム光学素子24の波長選択性はあるが、大きくないので、光学瞳Eの位置の変更による波長の変化は少ない。
Further, as described above, since the wavelength selectivity of the hologram
また、ホログラム光学素子24は、特定の入射角で入射する特定波長の光を回折させるので、光源11の位置を調整することによって、ホログラム光学素子24に入射する光の入射角と波長とを最適に調整して明るい映像を提供することができる。
Further, since the hologram
なお、ここでは、光源位置調整機構16によって光源11のみを光軸と交差する方向に移動させ、光学瞳Eの位置を調整する構成としているが、集光レンズ13を光軸と交差する方向に移動させて、光学瞳Eの位置を調整する構成としてもよい。ただし、この場合、表示素子14の表示範囲に対して集光レンズ13が移動するため、集光レンズ13を少し大きく設定する必要がある。
Here, the light source
〔実施の形態3〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態1または2と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. In addition, the same member number is attached to the same structure as
図21は、本実施形態の映像表示装置1(1R・1L)における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。本実施形態では、光源11が2つの光源群11P・11Qで構成されている点以外は、実施の形態2と同様の構成である。つまり、本実施形態においても、実施の形態2と同様の光軸調整手段15が設けられている。以下、実施の形態2と異なる部分を中心に説明する。
FIG. 21 is an explanatory diagram showing the optical path in the video display device 1 (1R · 1L) of the present embodiment developed optically in one direction. In the present embodiment, the configuration is the same as that of the second embodiment except that the
図22は、本実施形態における光源11を表示素子14側から見たときの平面図を示している。光源11の光源群11Pは、RGBの各色光を出射する3つの発光部11R1・11G1・11B1を有するRGB一体型のLEDで構成されている。また、光源群11Qも同様に、RGBの各色光を出射する3つの発光部11R2・11G2・11B2を有するRGB一体型のLEDで構成されている。つまり、光源11は、RGBの光を出射する3つの発光部を2組有している。
FIG. 22 shows a plan view of the
各光源群11P・11Qの各発光部は、ホログラム光学素子24への光軸の入射面(YZ平面)に対して垂直な方向に並んで配置されているが、さらに、上記入射面に対して各色ごとに面対称となるように配置されている。より詳細には、発光部11R1・11R2が上記入射面に近い位置で面対称となるように配置され、そのX方向外側に発光部11G1・11G2が上記入射面に対して面対称となるように配置され、さらにそのX方向外側に発光部11B1・11B2が上記入射面に対して面対称となるように配置されている。つまり、各光源群11P・11Qでは、上記入射面側からX方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で、各発光部が配置されている。
The light emitting units of the
このように、各発光部を各色ごとに上記入射面に対して面対称に配置することにより、同じ色についての2つの発光部(例えば11R1と11R2)からの出射光の光強度を足し合わせたトータルの光強度の重心を、RGBの各色ともに対称面内(上記入射面内)に位置させることができる。つまり、RGBの各色ともにその強度分布を、対称面を中心にしてX方向に対称にすることができる。これにより、光学瞳Eの中心において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。 In this way, by arranging the light emitting units symmetrically with respect to the incident surface for each color, the light intensity of the emitted light from the two light emitting units (for example, 11R 1 and 11R 2 ) for the same color is added. The center of gravity of the combined total light intensity can be positioned in the symmetry plane (in the incident plane) for each of the RGB colors. That is, the intensity distribution of each color of RGB can be symmetric in the X direction with the symmetry plane as the center. Accordingly, an image with little color unevenness at the center of the optical pupil E can be provided to the observer.
なお、各発光部の面対称の中心となる面は、上記入射面に平行な面であってもよい。つまり、各発光部の面対称の中心となる面は、上記入射面からX方向に多少ずれた面であっても構わない。この場合は、光学瞳Eの中心付近において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。 Note that the plane that is the center of plane symmetry of each light emitting unit may be a plane parallel to the incident plane. In other words, the surface that is the center of symmetry of each light emitting unit may be a surface that is slightly deviated in the X direction from the incident surface. In this case, an image with little color unevenness near the center of the optical pupil E can be provided to the observer.
ところで、光源11が光源群2個で構成され、各発光部が各色ごとに面対称に配置される場合には、上記入射面に垂直な方向における各発光部の配列順序は、隣接する各組間で逆になる。一方、光源11を構成する光源群の個数が4個以上の偶数個であっても、つまり、光源11がRGBの各発光部を4組以上の偶数組設けて構成される場合でも、上記入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序を隣接する各組間で逆にすれば、各発光部からの出射光の光強度を足し合わせたトータルの光強度の重心を、RGBの各色ともに上記入射面に平行な同一面(上記入射面を含む)内に位置させることができ、光学瞳Eの中心またはその近傍において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。
By the way, when the
したがって、以上のことをまとめると、結局、光源11は、RGBの3つの発光部を2組以上の偶数組有しており、上記入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序が隣接する各組間で逆であれば、光学瞳Eの中心またはその近傍において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができると言える。
Therefore, in summary, the
また、光源11を構成する光源群の個数が4個以上の偶数個であっても、各発光部が上記入射面に対して面対称に配置され、かつ、上記入射面に対して垂直方向の両側で上記入射面から同じ距離に位置する発光部が同じ色の光を発光するように配置されていれば、各発光部からの出射光の各色について、光強度の重心が上記入射面上で一致する。したがって、光源11を構成する光源群の個数が偶数個であれば、各発光部を上記のように配置することで、光学瞳の中心で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができると言える。
Further, even if the number of light source groups constituting the
また、ホログラム光学素子24は、上述したように、回折効率ピークおよびその半値波長幅で465±5nm、521±5nm、634±5nmの各波長の映像光を回折するように作製されている。このように各色で回折効率の半値波長幅Δλ2が同じなので、波長の長い光ほど角度選択性が大きい(波長の変化に対する入射角のずれ方が小さい)。したがって、各光源群11P・11Qにおいて、光軸入射面側からX方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で各発光部が配置されていることにより、光学瞳E内での各色の強度差を小さくすることができ、光学瞳E内で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。以下、この点について詳細に説明する。
Further, as described above, the hologram
回折効率ピークの波長をλ、ホログラム光学素子24の媒質(干渉縞)の屈折率をn、媒質の厚さをh、入射角をθとすると、これらの間には、
λ=2nhcosθ
の関係が成り立つ。ここで、波長の短いB光および波長の長いR光において、それぞれの波長が例えば同じ5nmだけずれた場合、波長の変化の割合は、B光については465/470であり、R光については634/639である。つまり、波長の変化の割合は、波長の短いB光に比べて波長の長いR光のほうが小さい。したがって、波長の短いB光に比べて波長の長いR光のほうが、波長の変化に対する入射角θのずれ方は小さい(角度選択性が大きい)。よって、光源11からの出射光のRGBの波長幅が同じ場合には、ホログラム光学素子24によって回折されてできる光学瞳の大きさは、波長が長い光ほど小さい。なお、光学瞳Eは、各色の光学瞳の範囲を全て含むものとする。
Assuming that the wavelength of the diffraction efficiency peak is λ, the refractive index of the medium (interference fringes) of the hologram
λ = 2nhcosθ
The relationship holds. Here, in the B light having a short wavelength and the R light having a long wavelength, when the respective wavelengths are shifted by, for example, the same 5 nm, the rate of change in wavelength is 465/470 for the B light and 634 for the R light. / 639. That is, the rate of change in wavelength is smaller for R light having a longer wavelength than for B light having a shorter wavelength. Therefore, the R light having a longer wavelength is smaller in the incident angle θ with respect to the change in wavelength (the angle selectivity is greater) than the B light having a shorter wavelength. Therefore, when the RGB wavelength width of the light emitted from the
一方、光源11のLED(各発光部)からの出射光の強度は、一般的に中心付近ほど強く、周囲ほど弱い。また、各発光部は、Y方向においては、光学瞳と略共役となるように配置されているが、X方向では、一方向拡散板12により拡散されるので、光学瞳とは共役ではない。しかし、光学瞳において最も強度の強い位置は、一方向拡散板12がないとした場合の各発光部と共役な位置にほぼ同じである。
On the other hand, the intensity of light emitted from the LED (each light emitting unit) of the
したがって、光学瞳が小さい長波長(R光)の瞳中心を光学瞳Eの中心側に位置させ、光学瞳が大きい短波長(B光)の瞳中心を光学瞳Eの中心よりも外側に位置させることで、光学瞳E内での瞳位置による強度差を各色について小さくすることができる。この点について、もう少し詳細に説明する。 Therefore, the pupil center of the long wavelength (R light) with the small optical pupil is positioned on the center side of the optical pupil E, and the pupil center of the short wavelength (B light) with the large optical pupil is positioned outside the center of the optical pupil E. By doing so, the intensity difference depending on the pupil position in the optical pupil E can be reduced for each color. This point will be described in a little more detail.
図23は、光学瞳EにおけるX方向の瞳位置と光強度との関係を示す説明図である。なお、光強度は、同じ色については相対値で示されている。また、同図中の11R1・11R2・11G1・11G2・11B1・11B2で示される曲線は、それぞれ発光部11R1・11R2・11G1・11G2・11B1・11B2から出射される光に対応している。
FIG. 23 is an explanatory diagram showing the relationship between the pupil position in the X direction in the optical pupil E and the light intensity. The light intensity is shown as a relative value for the same color. In addition, the curves indicated by 11R 1 , 11R 2 , 11G 1 , 11G 2 , 11B 1 , 11B 2 in the figure are respectively from the
上述したように、ホログラム光学素子24の角度選択性により、波長が長い光ほど光学瞳は小さいので、同図に示すように、波長が長い光ほど瞳位置による強度差が大きくなっている(光学瞳Eの中心と端部とにおける強度差が大きくなっている)。逆に、波長が短い光ほど光学瞳Eは大きいので、波長が短い光ほど瞳位置による強度差が小さくなっている。
As described above, due to the angle selectivity of the hologram
また、波長が長い光を発光する発光部ほど光軸入射面側に配置されているので、光強度の高い位置は、波長が長い光ほど光学瞳Eの中心に近くなっている。逆に、波長が短い光を発光する発光部ほど光軸入射面から離れた位置に配置されているので、光強度の高い位置は、光学瞳Eの周辺となっている。 In addition, since the light emitting portion that emits light having a longer wavelength is disposed on the optical axis incident surface side, the position with higher light intensity is closer to the center of the optical pupil E as the light has a longer wavelength. On the contrary, since the light emitting part that emits light having a short wavelength is arranged at a position farther from the optical axis incident surface, the position where the light intensity is high is around the optical pupil E.
つまり、波長が長い光ほど瞳位置による強度差が大きいが、光軸入射面側からX方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で各発光部を配置し、波長が長い光ほど光強度の高い位置を光学瞳Eの中心に近づけることで、波長が長い光について、瞳位置による強度差、すなわち、光学瞳Eの中心と端部とにおける強度差を小さくすることができる。これにより、光学瞳Eの全体(瞳中心および瞳周辺)で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。 In other words, the longer the wavelength, the greater the difference in intensity depending on the pupil position, but the light emitting units are arranged in such an order that the wavelength of the emitted light becomes shorter from the optical axis incident surface side toward the outside in the X direction. By bringing the position with a high light intensity closer to the center of the optical pupil E, the intensity difference depending on the pupil position, that is, the intensity difference between the center and the end of the optical pupil E can be reduced for light having a long wavelength. As a result, an image with little color unevenness can be provided to the observer over the entire optical pupil E (the pupil center and the periphery of the pupil).
また、光源群11P・11Qの各発光部は、一方向拡散板12での拡散が大きい波長順(波長が短いほど拡散する)にX方向に配置されているので、光学瞳E上での各色の強度差がさらに小さくなり、色ムラをさらに低減することができる。つまり、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。
In addition, the light emitting units of the
ところで、以上では、RGBの各発光部を2組設け、各組を個々のパッケージにした光源群11P・11Qで光源11を構成した例について説明したが、各組は1つのパッケージになっていてもよい。図24は、光源11の他の構成例を示すものであって、光源11を表示素子14側から見たときの平面図を示している。
In the above description, an example in which the
このように光源11は、RGBの光を出射する発光部11R1・11R2・11G1・11G2・11B1・11B2を1パッケージ化したもので構成されてもよい。この構成においても、上述した各発光部の配置方法を適用することにより、光学瞳E上での各色の強度差を小さくして、色ムラを低減することができる。また、発光点の距離が近いほどRGBの色が混ざりやすく、より明るい映像を提供することができるので、この点では、各発光部の距離を容易に小さくできる図24の構成のほうが望ましい。
As described above, the
〔実施の形態4〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態1ないし3と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 4]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. In addition, the same member number is attached to the same structure as
図25は、本実施形態に係る映像表示装置1(1R・1L)の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の映像表示装置1は、光源11を、青色光または紫外光で蛍光体を励起して白色を発光する白色光源(白色LED)で構成するとともに、接眼光学系21を接眼光学系51に置き換えた以外は、実施の形態2と全く同様の構成である。つまり、本実施形態においても、実施の形態2と同様の光軸調整手段15が設けられている。以下、実施の形態2と異なる部分を中心に説明する。
FIG. 25 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the video display device 1 (1R · 1L) according to the present embodiment. In the
接眼光学系51(観察光学系)は、透明な基板52上にホログラム光学素子24が形成されたものである。基板52は、筐体10と支持体53を介して連結されている。ホログラム光学素子24は、上述の実施の形態と同様に、軸非対称な正のパワーを有しており、回折効率ピークおよびその半値波長幅で465±5nm、521±5nm、634±5nmの波長域の映像光を回折するように作製されている。なお、本実施形態におけるホログラム光学素子24の作製方法の詳細については後述する。
The eyepiece optical system 51 (observation optical system) has a hologram
上記の構成において、光源11から出射された光は、一方向拡散板12にて拡散され、集光レンズ13にてY方向に集光されて表示素子14を照明し、表示素子14にて変調される。表示素子14からの映像光は、ホログラム光学素子24にて回折されて光学瞳Eに導かれる。このとき、ホログラム光学素子24は、光軸入射面に平行な方向よりも光軸入射面に垂直な方向に大きく形成されており、光源11と光学瞳Eとはほぼ共役な関係となるように設定されているので、光学瞳Eは、光源11の発光部の大きさ(例えばx=3mm、y=0.5mm)が光学系の像倍率3倍に拡大され、さらに表示素子14で約1°の拡散により少し大きくなる結果、x=10mm、y=2.5mmの大きさとなっている。
In the above configuration, the light emitted from the
以上のように、本実施形態では、光源11として白色光源を用いているので、RGBの各色を混ぜる必要がなく、光源11と光学瞳Eとを略共役に配置して明るい映像を提供することが可能となる。
As described above, in the present embodiment, since a white light source is used as the
また、光学瞳Eは、一方向(X方向)において人間の瞳(3mm程度)よりも大きいので、観察者は映像を観察しやすい。さらに、他の方向(Y方向)においては、人間の瞳とほぼ同じ大きさの光学瞳Eに集光しているので、無駄なく明るい映像を観察者に提供することができる。 Further, since the optical pupil E is larger than the human pupil (about 3 mm) in one direction (X direction), the observer can easily observe the image. Furthermore, in the other direction (Y direction), since the light is focused on the optical pupil E that is almost the same size as the human pupil, a bright image can be provided to the observer without waste.
また、ホログラム光学素子24を基板52上に貼り付けて接眼光学系51を構成する本実施形態では、表示素子14からの映像光を直接ホログラム光学素子24に入射させるので、ホログラム光学素子24に記録された干渉縞への光の入射角を、実施の形態2の構成よりも小さくすることができる。
Further, in the present embodiment in which the hologram
より具体的には、実施の形態2の構成では、ホログラム光学素子24に入射する光の入射角は、媒質中で例えば25°〜35°くらいであるが、本実施形態の構成では、上記入射角を媒質中で例えば10°〜15°くらいにすることができる。これにより、実施の形態2に比べて、入射角の変化による波長選択性の影響が小さく、色ズレが少ない。したがって、実施の形態2よりも大きい光学瞳Eで、なおかつ、色純度が高く、色再現領域の広い映像を表示することができる。
More specifically, in the configuration of the second embodiment, the incident angle of light incident on the hologram
また、本実施形態の映像表示装置1における色再現領域は、図17で示した一点鎖線A2で示される領域である。この色再現領域は、破線A3や二点鎖線A4に比べて広いことがわかる。したがって、本実施形態の映像表示装置1においても、色純度を高くして、色再現領域を広げることができる。
In addition, the color reproduction area in the
次に、本実施形態におけるホログラム光学素子24の作製方法について説明する。図26は、本実施形態のホログラム光学素子24の作製に用いられる光学系の概略の構成を示す断面図である。
Next, a method for producing the hologram
まず、基板52上にホログラム感光材料24aを塗布する。なお、ここでは、ホログラム感光材料24aは、作製2光束の照射範囲よりも広い範囲にわたって基板52上に塗布されているものとする。そして、ホログラム感光材料24aが塗布された基板52を、図26に示す光学系の所定の位置に配置する。
First, the hologram
上記光学系においては、図示しない光源からのレーザー光は、2つの光束に分岐されてそれぞれ点光源61・71に変換されている。点光源61からの出射光(作製2光束のうちの一方)は、絞り62、製造光学系63および絞り64を順に介して、基板52上のホログラム感光材料24aにその表面側(基板52とは反対側)から照射される。上記出射光が製造光学系63を介してホログラム感光材料24aに照射されることで、形成するホログラム光学素子24に軸非対称な正のパワーを持たせることができる。なお、ホログラム感光材料24aに対する上記出射光の照射範囲は、再生光のうちで中心光束のみを回折させる範囲である。
In the optical system, laser light from a light source (not shown) is split into two light beams and converted into point
一方、点光源71からの出射光は、絞り72にてその光束径を制限され、基板52上のホログラム感光材料24aにその裏面側(基板52側)から照射される。なお、ホログラム感光材料24aに対する上記出射光の照射範囲は、再生光のうちで中心光束のみを回折させる範囲である。
On the other hand, the light emitted from the point
これら2光束の照射により、ホログラム感光材料24aにおける2光束の照射範囲の重畳部分に干渉縞が記録され、ホログラム光学素子24が作製される。その後、ベイク処理および定着処理を行うことによって、接眼光学系51が完成する。
By irradiation with these two light beams, interference fringes are recorded in the overlapping portion of the irradiation range of the two light beams on the hologram
上記の光学系においては、絞り62・64・72によって点光源61・71の開口数(出射光の光束径)が制限されるので、ホログラム感光材料24a上で作製2光束を同じ大きさにすることができ、再生光のうちで光学的に性能の良好な中心光束が照射される範囲にだけホログラム光学素子24を作製することができる。また、作製2光束が互いに同じ範囲で干渉するので、一方のレーザー光だけでの干渉が発生しにくく、不要な干渉縞がホログラム感光材料24aに記録されない。したがって、フレアやゴーストの発生しにくい光学的に性能が良好なホログラム光学素子24を作製することができ、高画質な映像を観察者に提供することができる。
In the above optical system, since the numerical apertures (light beam diameters of the emitted light) of the point
さらに、作製時に用いられる2光束は、対応する点光源61・71から出射される光の発散角を絞り62・64・72で制限することによって形成されているので、基板52上でのホログラム光学素子24の大きさを低コストで容易にかつ確実に制御することができる。
Further, since the two light beams used at the time of production are formed by restricting the divergence angles of the light emitted from the corresponding point
また、点光源61からの出射光の光束径は、2つの絞り62・64で制限されているが、まず、絞り62で制限されることで、製造光学系63の端部などで反射や拡散する不要な光が発生するのを抑えることができる。そして、上記出射光の光束径が絞り64で制限されることにより、製造光学系63で発生した面間反射などの不要な光がホログラム感光材料24aに到達するのを抑えることができる。
Further, the diameter of the light beam emitted from the point
また、点光源71は、光学瞳Eの近傍に配置される。このようにホログラム光学素子24の作製時の点光源71の位置と光学瞳Eの位置とを略一致させることにより、映像表示色を画面の位置によらず同じにすることができる。また、再生時にホログラム光学素子24にて回折されて光学瞳Eに到達する光の波長は、その光学瞳Eの位置によって異なる。しかし、本実施形態では、光軸調整手段15が接眼光学系51に対する光学瞳Eの位置を変更することなく光軸調整を行うので、光軸調整によって光学瞳Eに到達する光の波長が変化することはなく、色再現性を良好に保つことができる。
Further, the point
〔実施の形態5〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態1ないし4と同一の構成には同一の部材番号を付記する。そして、各構成について実施の形態1ないし4では言及しなかった点については適宜説明を加える。
[Embodiment 5]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. In addition, the same member number is appended to the same structure as Embodiment 1-4. Points that are not mentioned in the first to fourth embodiments will be appropriately described.
図27は、本実施形態に係る映像表示装置1(1R・1L)の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の映像表示装置1は、光源11と、一方向拡散板12と、表示素子14’と、光軸調整手段15と、光路折り曲げ部材17と、第1の偏光板18(偏光子)と、第2の偏光板19(検光子)と、第3の偏光板20と、接眼光学系21とを有している。接眼光学系21以外の光学部材は、筐体10内に収容されているが、この筐体10は、接眼光学系21の一部(同図では接眼プリズム22)に支持されている。以下、上述した各実施形態とは異なる部分を中心に説明する。
FIG. 27 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the video display device 1 (1R · 1L) according to the present embodiment. The
光源11は、RGB一体型のLEDで構成されており、RGBの各波長はホログラム光学素子24にて回折反射される光の波長とほぼ一致している。本実施形態では、後述するように、表示素子14’として時分割駆動が可能な強誘電液晶表示素子を用いているため、光源11は3原色に対応する光を時分割で順に出射する。また、後述する光路折り曲げ部材17の光学パワーがX方向には無いので、光源11と光学瞳EとはY方向で略共役となっている。
The
表示素子14’は、複数の画素をマトリクス状に有し、光源11からの出射光を画像データに応じて各画素ごとに変調することによって映像を表示する光変調素子である。より具体的には、表示素子14’は、強誘電液晶を2枚の基板で挟持してなり、一方の基板側に反射膜(反射電極、画素電極)が形成された反射型強誘電液晶表示素子で構成されている。反射型強誘電液晶表示素子はカラーフィルタを有してはおらず、それゆえ、表示素子14’の各画素は、光源11から時分割で順に供給される3原色の光のそれぞれに対応して時分割でON/OFF駆動される。これにより、観察者にカラー映像を提供することができる。
The
また、反射型強誘電液晶表示素子は、TN(Twisted Nematic)液晶表示素子よりも広い視野角特性を有している点で優れており、後述する光路折り曲げ部材17から表示素子14’に入射する光の入射角が大きくても、コントラストが高く、色再現性が高く(色再現領域が広く)、表示品位の高い映像を提供することができる。また、各光学素子の配置自由度が高くなり、コンパクトで高性能の映像表示装置1を実現することができる。
The reflective ferroelectric liquid crystal display element is superior in that it has a wider viewing angle characteristic than a TN (Twisted Nematic) liquid crystal display element, and is incident on the
なお、表示素子14’は、位相補償板とTN液晶表示素子とを組み合わせて視野角特性を向上させたもので構成されてもよい。また、表示素子14’は、時分割駆動が可能な反射型の表示素子であればよく、例えばDMD(Digital Micromirror Device;米国テキサスインスツルメント社製)で構成することも可能である。
Note that the
光軸調整手段15は、各実施の形態と同様の機能を持つものであるが、本実施形態では、表示素子14’の基板を裏面側から保持する保持枠15b(保持部)を有している。この保持枠15bは、光軸と交差する方向(ここでは表示素子14’の表示面と略平行方向)にスライド可能となっており、最終的には筐体10に固定される。このように保持枠15bをスライドさせて表示素子14’の位置を調整することにより、表示素子14’に表示される映像と接眼光学系21との相対的な位置関係を、光軸と交差する方向において変更することができる。
The optical axis adjusting means 15 has the same function as each embodiment, but in this embodiment, the optical axis adjusting means 15 has a holding
光路折り曲げ部材17は、光源11から出射された光を反射させて表示素子14’に導く反射ミラーであり、光源11から表示素子14’に至る光路を折り曲げる機能を有している。本実施形態では、光路折り曲げ部材17は、光源11からの光をY方向にのみ集光するシリンドリカル凹面ミラーで構成されており、表示素子14’から接眼光学系21に向かう光の光路に対して、光源11とは反対側に設けられている。すなわち、光路折り曲げ部材17は、光源11と光路折り曲げ部材17とで上記光路を挟むような位置に設けられている。
The optical
第1の偏光板18は、光源11から出射された光のうち、所定の偏光方向の光(ここではP偏光)を透過させて光路折り曲げ部材17に導くとともに、光路折り曲げ部材17にて光路を折り曲げられた光であって上記所定の偏光方向と同じ偏光方向の光(ここではP偏光)を透過させて表示素子14’に導く。
The first
第2の偏光板19は、入射光のうちで第1の偏光板18を透過する光とは偏光方向が直交する光(ここではS偏光)を透過させて接眼プリズム22に導くものであり、接眼プリズム22において、表示素子14’からの光が入射する面に貼り付けられている。
The second
このような第2の偏光板19を配置することで、光源11から接眼プリズム22の方向に進行する不要光(P偏光)があっても、その不要光を第2の偏光板19にて確実にカットすることができ、その不要光に起因してゴーストやフレアが生じるのを確実に防止することができる。
By arranging the second
第3の偏光板20は、光源11から出射される光のうちで、第1の偏光板18を透過する光と同じ偏光方向の光(ここではP偏光)を透過させて光路折り曲げ部材17に導くものである。この第3の偏光板20は、表示素子14’から接眼光学系21に向かう光の光路に対して光源11側(上記光路と光源11との間)に配置されている。
The third
このような第3の偏光板20を配置することで、光源11から出射された光のうち、第2の偏光板19を透過できる偏光方向の光(S偏光)を、第3の偏光板20で予めカットすることができる。つまり、第3の偏光板20を配置することで、S偏光が光源11から直接接眼光学系21に到達したり、第1の偏光板18の表面で反射して接眼光学系21に到達するようなことがない。これにより、そのような光によるゴースト(フレア)の発生を防止することができ、映像品位の低下を確実に回避することができる。
By disposing such third
上記の構成において、光源11からRGBの各色光が時分割で出射されると、各色光(例えばP偏光)は、まず第3の偏光板20を透過し、次いで第1の偏光板18および一方向拡散板12を透過し、光路折り曲げ部材17にて反射される。そして、光路折り曲げ部材17にて反射された光(P偏光)は、再び一方向拡散板12および第1の偏光板18を透過して表示素子14’に入射する。
In the above configuration, when each color light of RGB is emitted from the
表示素子14’では、入射光が反射されるが、その際にRGBごとの画像データに応じて変調され、入射光とは異なる偏光(S偏光)となって表示素子14’から出射される。このとき、表示素子14’には、画像データに応じた映像が時分割でRGBごとに表示される。表示素子14’からの出射光(RGBごとの映像光)は、光源11から光路折り曲げ部材17に至る光路を横切って接眼光学系21に到達し、第2の偏光板19を透過して、接眼プリズム22に入射する。
In the
接眼プリズム22では、入射した映像光が接眼プリズム22の対向する2つの平面で複数回全反射され、接眼プリズム22の下端に配置されたホログラム光学素子24まで導かれ、そこで反射されて光学瞳Eに達する。したがって、この光学瞳Eの位置では、観察者は、表示素子14’に表示されたRGBごとの映像の拡大虚像をカラー映像として観察することができる。
In the
一方、接眼プリズム22、偏向プリズム23およびホログラム光学素子24は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。表示素子14’に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
On the other hand, the
以上のように、本実施形態の映像表示装置においても、光軸調整手段15が設けられているので、光軸調整による光学瞳Eの位置での観察映像の輝度低下および画質低下を回避することができる。 As described above, also in the video display device of the present embodiment, since the optical axis adjustment means 15 is provided, it is possible to avoid a decrease in luminance and image quality of the observation video at the position of the optical pupil E due to the optical axis adjustment. Can do.
また、反射型の表示素子14’においては、シリコン等の半導体を基板として用いることができるため、小型で集積度の高い表示素子を作製することができる。しかも、各画素をON/OFFするためのスイッチング素子(例えばTFT)や配線を含む周辺回路を、表示側とは反対側の基板に配置することができるので、開口率を容易に向上させることができ、明るい映像を表示することができる。
In addition, in the
また、強誘電液晶表示素子は、駆動速度が速いことがメリットであるので、それゆえ、表示素子14’を反射型強誘電液晶表示素子で構成することにより、上述した時分割駆動方式を採用することができる。
Further, since the ferroelectric liquid crystal display element has a merit that the driving speed is high, therefore, the above-described time-division driving method is adopted by configuring the
ここで、カラーフィルタを透過するRGB光によってカラー映像を表示する従来のカラーフィルタ方式は、白色光源を常時点灯させ、1つの画素にRGBのいずれかのカラーフィルタを配置させてカラー表示を行う空間分割駆動方式であるため、モノクロ表示の場合よりも画素が3倍必要である。また、不要な色の映像光を遮光する場合には、光源は点灯させたままで、各画素で遮光しなければならない。各画素で完全に遮光することは難しいため、カラーフィルタ方式では、単色の色純度が低い。 Here, a conventional color filter system that displays a color image with RGB light transmitted through the color filter is a space in which a white light source is always turned on and any one of RGB color filters is arranged in one pixel to perform color display. Since it is a split drive system, it requires three times as many pixels as in the case of monochrome display. In addition, when image light of an unnecessary color is shielded, it is necessary to shield each pixel while keeping the light source on. Since it is difficult to completely shield the light from each pixel, the color filter method has low color purity of a single color.
これに対して、時分割駆動方式では、光源にてRGBの各発光部を順次点灯させるため、例えば単色を表示する場合は、残りの2色の発光部は消灯されている。これにより、色純度の高い、コントラストの高い映像を表示することができる。また、時分割駆動方式を採用する表示素子14’は、カラーフィルタを有していないので、光の透過率が高く、明るい映像を表示することができる。
On the other hand, in the time-division driving method, each light emitting portion of RGB is sequentially turned on by the light source, and thus, for example, when displaying a single color, the remaining two light emitting portions are turned off. Thereby, an image with high color purity and high contrast can be displayed. Further, since the
また、反射型の表示素子14においては、上述のように開口率が高いため、各画素を透過する際の光の拡散が少ない。したがって、光源11と光学瞳EとをY方向で確実に略共役とすることができる。
Further, since the
〔実施の形態6〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態1ないし5と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、上述の各実施形態の映像表示装置が適用されるヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する)について説明する。
[Embodiment 6]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. In addition, the same member number is attached to the same structure as
図28(a)は、本実施形態に係るHMDの概略の構成を示す平面図であり、図28(b)は、HMDの側面図であり、図28(c)は、HMDの正面図である。HMDは、観察者の右眼の前および左眼の前に配置される2個の映像表示装置1R・1Lと、それらを支持する支持手段2とを有している。
FIG. 28A is a plan view showing a schematic configuration of the HMD according to the present embodiment, FIG. 28B is a side view of the HMD, and FIG. 28C is a front view of the HMD. is there. The HMD has two
映像表示装置1R・1Lは、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものであり、上述した各実施形態で説明した構成を採ることができる。図28(c)で示す映像表示装置1R・1Lにおいて、眼鏡の右眼用レンズおよび左眼用レンズに相当する部分は、接眼プリズム22と偏向プリズム23との貼り合わせによって構成されている。
The
支持手段2は、映像表示装置1R・1Lを観察者の右眼および左眼の前でそれぞれ支持するものであり、ブリッジ3と、フレーム4と、テンプル5と、鼻当て6と、ケーブル7と、外光透過率制御手段8とを有している。鼻当て6および外光透過率制御手段8は、ブリッジ3に支持されている。なお、フレーム4、テンプル5および鼻当て6は、左右一対設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム4R、左フレーム4L、右テンプル5R、左テンプル5L、右鼻当て6R、左鼻当て6Lのように表現するものとする。
The support means 2 supports the
映像表示装置1R・1Lは、ブリッジ3で連結されている。右テンプル5Rは、右フレーム4Rに回動可能に支持されており、この右フレーム4Rを介して映像表示装置1Rとブリッジ3との連結側とは反対側で連結されている。同様に、左テンプル5Lは、左フレーム4Lに回動可能に支持されており、この左フレーム4Lを介して映像表示装置1Lとブリッジ3との連結側とは反対側で連結されている。
The
ケーブル7は、外部信号(例えば映像信号、制御信号)や電力を映像表示装置1R・1Lに供給するための配線であり、右テンプル5R、右フレーム4Rおよびブリッジ3に沿って設けられている。外光透過率制御手段8は、外光(外界像の光)の透過率を制御するために設けられており、映像表示装置1R・1Lよりも前方(観察者とは反対側)に位置している。
The
観察者がHMDを使用するときは、右テンプル5Rおよび左テンプル5Lを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て6を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにHMDを観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置1R・1Lにて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置1R・1Lの各表示映像を虚像として両眼でそれぞれ観察できるとともに、この映像表示装置1R・1Lを介して外界像をシースルーで観察することができる。
When the observer uses the HMD, the
このとき、外光透過率制御手段8において、外光透過率を例えば50%以下に低く設定しておけば、観察者は映像表示装置1R・1Lの映像を観察しやすくなり、逆に、外光透過率を例えば50%以上に高く設定しておけば、観察者は、外界像を観察しやすくなる。したがって、外光透過率制御手段8における外光透過率は、映像表示装置1R・1Lの映像および外界像の観察のしやすさを考慮して適宜設定されればよい。
At this time, if the external light transmittance control means 8 sets the external light transmittance to be low, for example, 50% or less, it becomes easier for the observer to observe the image on the
このように、本実施形態のHMDは、映像表示装置1R・1Lと、各映像表示装置1R・1Lを観察者の眼前で支持する支持手段2とを有しており、各映像表示装置1R・1Lが支持手段2にて支持されるので、観察者は映像表示装置1R・1Lから提供される映像をハンズフリーで観察することができる。
As described above, the HMD of the present embodiment includes the
なお、本実施形態では、映像表示装置1R・1LをHMDに適用した例について説明したが、例えばヘッドアップディスプレイに適用することも可能である。
In this embodiment, the example in which the
なお、各実施の形態で説明した構成や手法を適宜組み合わせて映像表示装置やHMDを構成することも勿論可能である。 Of course, it is possible to configure the video display device and the HMD by appropriately combining the configurations and methods described in the embodiments.
本発明の映像表示装置は、例えばヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイに利用可能である。 The video display device of the present invention can be used for a head-up display or a head-mounted display, for example.
1 映像表示素子
1R 映像表示素子
1L 映像表示素子
2 支持手段
11 光源
13 集光レンズ(照明光学系)
14 表示素子
14’ 表示素子
15 光軸調整手段
16 光源位置調整機構
21 接眼光学系(観察光学系)
22 接眼プリズム(第1の透明基板)
23 偏向プリズム(第2の透明基板)
24 ホログラム光学素子
51 接眼光学系(観察光学系)
E 光学瞳
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
22 Eyepiece prism (first transparent substrate)
23 Deflection prism (second transparent substrate)
24 Hologram
E Optical pupil
Claims (19)
各光源からの光を変調して映像を表示する左右一対の表示素子と、
各表示素子に表示された映像の光を左右一対の光学瞳にそれぞれ導く、左右一対の観察光学系と、
左右の少なくとも一方について、表示素子に表示される映像と観察光学系との相対的な位置関係を光軸と交差する方向において変更することにより、左右一対の光軸のなす角度を調整する光軸調整手段とを備え、
左右のそれぞれにおいて、光源は光学瞳と略共役に配置されており、
上記光軸調整手段は、観察光学系に対する光学瞳の位置を変更することなく、上記位置関係を変更することを特徴とする映像表示装置。 A pair of left and right light sources;
A pair of left and right display elements that modulate the light from each light source and display an image;
A pair of left and right observation optical systems for guiding the light of the image displayed on each display element to the pair of left and right optical pupils, and
An optical axis that adjusts the angle formed by the pair of left and right optical axes by changing the relative positional relationship between the image displayed on the display element and the observation optical system in a direction intersecting the optical axis for at least one of the left and right Adjusting means,
In each of the left and right, the light source is arranged substantially conjugate with the optical pupil,
The image display apparatus according to claim 1, wherein the optical axis adjusting means changes the positional relationship without changing the position of the optical pupil with respect to the observation optical system.
上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の映像表示装置。 In each of the left and right, the observation optical system includes a volume phase type reflection type hologram optical element,
6. The image display device according to claim 1, wherein the hologram optical element guides the image light from the display element to the optical pupil by diffracting and reflecting the image light.
各発光部は、上記入射面に対して垂直な方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項9または10に記載の映像表示装置。 The light source has three light emitting units that emit light corresponding to the three primary colors,
The video display device according to claim 9, wherein the light emitting units are arranged side by side in a direction perpendicular to the incident surface.
上記ホログラム光学素子への光軸の入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序が、隣接する各組間で逆であることを特徴とする請求項6、7、11のいずれかに記載の映像表示装置。 The light source has an even number of three light emitting units that emit light corresponding to the three primary colors,
12. The arrangement according to claim 6, wherein the arrangement order of the light emitting portions in the direction perpendicular to the plane of incidence of the optical axis on the hologram optical element is reversed between adjacent groups. The video display device described in 1.
各発光部は、上記入射面に対して面対称に配置されているとともに、上記入射面に対して垂直方向の両側で上記入射面から同じ距離に位置する発光部が同じ色の光を発光するように配置されていることを特徴とする請求項11または12に記載の映像表示装置。 The light source has an even number of three light emitting parts,
Each light emitting unit is arranged symmetrically with respect to the incident surface, and light emitting units located at the same distance from the incident surface on both sides in a direction perpendicular to the incident surface emit light of the same color. The video display device according to claim 11, wherein the video display device is arranged as described above.
各組の各発光部は、上記入射面側から上記入射面に対して垂直方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で配置されていることを特徴とする請求項13に記載の映像表示装置。 The light source has two sets of three light emitting parts,
The light emitting units of each set are arranged in an order such that the wavelength of the emitted light becomes shorter from the incident surface side toward the outer side in the direction perpendicular to the incident surface. Video display device.
上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。 A video display device according to any one of claims 1 to 18,
A head-mounted display comprising support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
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